論橋梁抗震模型建立分析的目的

高建平

（山西省公路局忻州公路分局，山西忻州034000）

論橋梁抗震模型建立分析的目的

高建平

（山西省公路局忻州公路分局，山西忻州034000）

文章論述了橋梁抗震評估的建立模型和分析手段，其目的是用結構位移、構件受力及變形對橋梁地震反應進行定量化分析。

橋梁；抗震；模型；建立；分析

1 概述

在數學模型和分析技術的幫助下，可進行橋梁整體結構位移、單元力和局部變形反應量的計算，從可用性和適用范圍角度出發討論橋梁定量地震反應分析常用的模型和分析手段，并盡量為行業研究工作提供適當的模型開發和分析用的一般性準則。

近幾十年來與數值計算飛速發展的直接相關的橋梁結構模型化和地震反應分析技術取得了很大進展，20世紀50年代中期有限元技術的發展和20世紀70年代第一本關于結構力學和地震工程方面的權威著作的問世，橋梁體系的靜力和動力分析都經歷了很大的突破，尤其是計算機的發展，通過不斷改進硬件、軟件工具克服了手工計算和迭代求解方程的局限性，橋梁體系可以進行整體多框架模型的分析，并且考慮了材料非線性和幾何非線性的影響效應，沿著橋梁長考慮多點地面運動輸入整個橋梁的動力時程分析。

但是，這些計算能力方面的進展并沒有在新橋抗震設計或現有橋梁的易損性評估和抗震加固中得到充分反映。相反更多新型的橋梁體系設計和建造技術的開發并沒有用到計算機，現有可用的先進的橋梁模型和分析手段似乎有礙于加快新橋抗震設計和現有橋梁加固的進程。原因是由于模型的復雜性和專門化。確切地說，整體模型和復雜的分析都是有助于橋梁整體的抗震評估和設計。

2 抗震評估及設計手段

在理想的情況下，基于確定性的地震力的輸入以及已知邊界條件、材料的性能、剛度和阻尼特性，這樣詳細描述的模型的分析設計似乎是可行的。但在實際情況下，地震事件發生的未知性、材料性能的不確定性和未知邊界條件加上其他一些無法估計的條件，不持這樣一個理想的設計方法，而是建議這樣一個設計過程，既要反復處理這些不確定性因素，又要確定數學模型。因此，類似于方案選擇與細部設計情況，只要將其作為抗震要求和抗震能力定量化的手段，則橋梁模型的建立和分析必須是橋梁抗震評估和設計過程整體的一部分。對特殊的橋梁設計問題，選擇最合適的模型和分析類型，其本身就是一項藝術性工作，它要求對下列問題有深入的了解：①整個橋梁設計的過程；②橋梁結構在地震荷載下的動力反應；③不精確的模型假設帶來的后果；④現有建立模型和分析技術，以及所有這些技術的適用范圍和容易出現的問題。因此類似于概念設計和細部，選擇合適的模型和分析手段需要有一定的實踐經驗。本文僅提供這些分析手段的大致情況以及它們的使用規則。

盡管有了先進的模型和分析手段，但是由于不容易得到基本的輸入參數，許多橋梁地震反應分析仍然存在對實際地震反應機制物理特性的理解有限的問題，這樣使得這些復雜的數學模型不能應用。橋梁地震反應模型建立和分析需要進一步發展和完善的問題在于：①橋臺和橋墩位置土——結構相互作用；②伸縮縫特性的表達；③循環荷載——變性特征和阻尼；④隨延性增加的剪力和彎矩的相互作用；⑤接縫和連接區域的變形；⑥具有不同反應特性的橋梁不同部分間的相互作用和非一致性的橋梁不同部分間的相互作用和非一致地震輸入。

3 橋梁模型建立分析的目的

橋梁模型建立分析的目的主要是用于結構位移、構件受力及變形對橋梁地震反應進行定量化分析。圖1系統地描述了這兩種橋梁地震反應分析情況的大致過程。

圖1 橋梁抗震分析的模型化水平

將抗震要求定量化的設計模型通常建立在橋梁初步設計的構件尺寸基礎上，利用估計的有效截面性能或設計使用的材料特性。為了要達到抗震設計要求，需要開發代表整個或整體橋梁結構體系的模型，在眾多的分析技術中，大多數是線彈性的，對于等效靜力或動力地震荷載輸入，可以提供定量的構件力。基于這些構件力，可以通過反復迭代修改橋梁尺寸和細部設計，在能力設計思路和原理的支持下，這個分析方法可以用來初步確定：①臨界塑性區的抗彎拉強度特征；②在承載力設計要求下，保證其他構件和截面的強度要求。

現有橋梁的地震易損性評估的目標一般集中在對有效承載力的定量化分析上，它基于已知的尺寸和細部設計情況、等效的斷面性質和可能量測得到當前的材料性質，評估方法中包含了橋梁各個組成構件最有可能的力——變形特性關系。隨后將每個構件組合到框架傾覆或完全非線性有限元分析中，進行橋梁結構各個分離子系統的抗震變形評估。

最后一步是根據橋梁評估和設計模型得到的等效位移彈性力對抗震要求和抗震能力結果進行對比。

在橋梁抗震分析過程中，橋梁原型結構幾何性能特征容易通過模型手段進行數學表達，這種描述的過程稱為離散化過程。原型結構的性能可以用離散的數學單元加上單元之間的連接方式和相互作用的形式來描述。可以建立不同離散程度的數學模型，從集中參數現象模型和結構構件模型到詳細的有限元模型。

在集中參數模型（LPM）中，橋梁的質量、剛度和阻尼被聚集或集中到離散點位置，該模型數學表達簡單，但為了反映橋梁原型的行為特征需要有理論和經驗來形成理想的等效力——變性關系。結構構件模型（SCM）基于理想化的結構子系統，可以組裝成類似橋梁原型結構的總體幾何形狀，以每個結構構件或子系統的結構端部力——變性關系形式給出反應特性現象。有限單元模型（FEM）是用于許多小單元將實際橋梁結構幾何尺寸進行離散化處理，各個小單元性能特性直接根據組成結構的材料情況。從集中參數模型到結構構建模型再到有限元模型，幾何離散化程度顯著地逐漸增加，這可以從大量的反應未知量中定量看出。由于大多數橋梁模型是根據位移進行的，這些未知的反應量典型的是用模型接頭或節點的獨立變形來表達并稱為自由度，另一方面，在有限元模型中，每個結構的特性是自動生成到整體模型中，但在集中參數模型（LPM）和結構構件模型（SCM）中需要有明顯的定義和工程判斷能力。當需要用非線性單調或非線性循環反應分析模型代替線性分析模型時，模型建立工作量隨之增加。由于離散化和計算工作量問題，所以經常對較簡單的分析過程采用較為復雜的模型或離散化方法，而對較復雜的分析過程用簡單的離散化分析方法來分析。

正確的模型建立和分析手段選擇取決于：①進行橋梁分析所需要的反應量及要求的精度；②橋梁設計或評估模型分析采用的極限狀態；③橋梁結構的重要性程度以及基于更為復雜的手段能夠得到那些更好的結果；④設計人員的資質和經驗，以及通過抗震設計或易損性評估要達到何種詳細程度的分析結果。

需要再次強調的是，在橋梁抗震設計過程中，橋梁結構反應分析模型建立和分析工作的手段，可以有選擇性地進行。

By Bridge EarthquakeResistanceM odelBuilding AnalysisGoal

Gao Jianping

The article elaborated the bridge earthquake resistance to appraise thismodel building and the analysismethod，its goalwaswith the structure displacement，the componentstressand the distortion to thebridgeearthquake responded thatcarried on thequantitativeanalysis.

bridge；earthquake resistance；model；establishment；analysis

U441+.3

A< class="emphasis_bold"> 文章編號：1

1000-8136(2011)05-0039-02

高建平，男，1959年1月出生，山西五臺人，2005年7月畢業于北京交通大學公路工程與管理專業，高級工程師。